大型输水工程网络三维场景建设关键技术研究

王丹 张强 陶付领 霍建伟

摘 要：为了直观展示大型输水工程的整体规划设计和建设成果，给调水管理部门运行管理和综合决策提供技术支持，以南水北调中线一期工程为研究对象，运用数字地球理念，针对工程距离超长、建筑物规模庞大及地形复杂等特点，研究了长距离大范围网络三维场景建设关键技术问题，分析了三维场景构成要素及难点。通过试验论证提出了长距离大规模工程建筑物在Skyline平台上基于三维模型部件和位置的分组切割和融合方法，解决了地球表面长距离大范围工程建筑物与高精度地形表面模型的无缝集成及海量数据的流畅加载问题，实现了大型输水工程三维场景的网络在线快速浏览和三维分析应用。该技术在南水北调中线一期工程三维场景建设中取得良好应用效果，为类似长距离大范围输水工程网络三维场景建设及分析应用提供参考。

关键词：长距离输水工程：三维场景；Skyline；海量数据；无缝集成；南水北调中线工程

中图分类号：TV68；TV222.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2018.06.031

水资源分布不均匀性和人类社会需水不均衡性的客观存在，使得长距离、大范围的输水工程成为解决此类矛盾的最重要且有效的方式之一[1]。运用三维GIS技术可以对此类工程的规划、设计、建设和运行管理等各个阶段提供直观展现和辅助决策等功能，并已取得了广泛的应用。然而由于三维数据量较大，网络发布与传输能力有限，现有的应用一般基于单机或局域网C/S模式，分布式B/S环境下三维GIS建设相对困难，国内外学者对此展开过大量研究[2]。三维GIS强大的空间表现能力的核心即为三维场景建设，目前主要侧重于建设局部区域、地表或者多个单体建筑物的三维场景，范围和容量相对受限，不涉及超長连续工程建筑物的椭球面定位组装及加载问题，并且其三维场景建设也相对简单。

笔者以南水北调中线一期工程三维可视化系统建设为例，阐述长距离输水工程网络三维场景建设流程及其关键技术，以期为类似三维场景的建设提供参考。南水北调工程是目前世界上规模最大的跨流域、跨地区、长距离调水工程，工程总体规划东线、中线和西线三条干线线路。其中，中线工程是在建工程中线路最长、建筑物最多、征迁安置涉及范围最广、建设管理最为复杂的项目[3]。

1 工程概述

南水北调中线干线工程南起汉江下游丹江口水库的陶岔引水闸，沿唐白河平原北缘、华北平原西部边缘，跨长江、淮河、黄河、海河四大流域，直达北京的团城湖和天津市外环河，是一项跨流域、跨多省（市）、长距离的特大型调水工程，担负着北京、天津、石家庄、郑州等数十座城市供水保障的重大任务。中线干线工程全长1 432 km，沿线经过河南、河北、北京、天津四省（市），规划分两期实施，一期调水规模为95亿m3/a，总投资超过1 500亿元，工程沿线地形、地质、土壤等条件复杂，有各类大中型主体工程建筑物1 796座[3]。

本文以南水北调中线一期工程为研究区域，该区域具有以下特点：①长约1 500 km，范围大，跨越多个省（市）；②区域内建筑物近2 000座，且类型多，包括渡槽、倒虹吸、闸站、桥梁、暗涵、隧洞、泵站等；③沿线输水渠道结构复杂多变、宽窄不一，包括地上输水明渠和地下输水暗涵；④输水渠道沿线地形复杂多变、高程变化大，且穿越多条道路、铁路、桥梁和大小河流等[3]。

2 网络三维场景建设平台选择

经大量试验及分析研究，长距离输水工程三维场景建设难点在于：①如何在网络环境下实现高精度海量影像数据的管理及高效流畅加载显示：②如何将超长距离连续工程建筑物在地球椭球面上定位组装并与地形表面无缝集成。要解决以上问题，选择合适的三维场景建设平台尤为重要。

三维场景的搭建平台多种多样，有国外的Skyline、Google Earth、VirtualEarth、WorldWind、ArcGISExplorer，国内的VRMap、EV-Globe等。这些平台以其自身的优势为数字地球和数字城市的构建提供服务，但是在海量三维模型的管理、展示、应用分析及网络在线应用方面，美国的Skyline平台以其海量影像数据和模型数据的管理，地形的构建、网络三维场景的流畅加载显示及发布等方面独特的优势，一直处于领先地位，是目前应用最广泛、技术最成熟的三维GIS平台。

本文采用Skyline平台构建南水北调中线一期工程三维可视化大场景。Skyline平台由TerraBuilder、TerraGate和TerraExplorer Pro等3个产品构成[4]。TerraBuilder能迅速创建、编辑和维护三维地形数据库，可融合影像数据、矢量数据以及高程数据，具有海量数据库处理能力以及无损高比例压缩能力。TerraGate采用流（Streaming）模式对地形文件进行发布，能在互联网上通过可变带宽实现无缝接人，有效解决在线实时流畅传输三维地理数据的问题。TerraEx-plorer Pro能够创建、编辑、展示和发布三维场景，并提供了丰富的二次开发接口，允许用户根据业务需要定制开发三维GIS系统。

3 网络三维场景建设关键技术

3.1 数据预处理

（1）三维地形制作。将现有的南水北调中线一期工程范围内的1：2 000航空影像、Spot5卫星影像、1：50 000地形数据、1：2 000数字高程模型数据在TerraBuilder中融合创建一个海量数据级三维地形场景MPT文件。该地形文件再现了整个南水北调中线一期工程约1500 km长的地形起伏、地表高程、地物地貌等地理信息，并与全球影像无缝集成。三维地形创建流程见图1。

（2）三维地形发布。使用TerraGate发布处理好的地形MPT文件。发布后的地形文件，在处理高分辨率影像时，会根据当前视角高度和范围，分别调取不同分辨率的影像数据，极大地提高了系统的运行效率，为用户提供更加流畅的、无缝式的浏览效果。

（3）模型制作。选取南水北调中线一期工程150km渠道、55座水工建筑物为建设范围。对图纸矢量化、AutoCAD文件及其他工程设计资料进行转化处理，在3Dmax中按照1：1大小进行渠道和水工建筑物精细建模，并在满足精细要求的同时，对模型进行优化处理。

（4）材质贴图与烘焙。为了达到与现实世界一致的效果，材质数据的获取方法可利用材质库和实地拍摄采样，还可结合高分辨率遥感影像或航摄影像提取。对于影像数据或实地采集的照片数据，采用Photoshop软件对其进行加工处理后，按照设计图纸和现地实景，对建筑物和渠道进行贴图处理，不仅可以局部简化复杂模型，真实模拟现实建筑物，还可以提高逼真度和显示速度。为了使模型效果更加真实，贴完材质后对模型进行烘焙，以增加模型的光泽度、质感，产生光照效果，更加贴近现实世界。三维模型制作流程见图2。

3.2 三维场景建设

三维场景主要由地形数据、工程建筑物三维模型、配景模型以及基础地理数据组成。

3.2.1 模型数据处理

为提高建模效率，常常将几十公里输水渠道模型作为单个模型。由于模型结构复杂多变，且3D max为平面坐标系，因此为了将超长距离渠道模型在地球椭球面上定位组装并与地形表面无缝集成，需要考虑从平面坐标到球面坐标的转换问题。经过大量试验研究分析，采用对超长距离连续输水渠道及大规模建筑物按照位置和部件进行切割分组技术，可以完美解决这一问题。

（1）输水渠道。为保证三维场景加载及浏览速度，经多次试验论证得出：按照一定长度对渠道模型进行切割分组，将各组模型分别转换为.xp12格式，并保证各级LOD文件大小在一定范围内，即可在三维场景中根据当前范围及视角流畅加载不同详细程度的LOD层级，并与地形無缝集成。具体流程见图3。

渠道模型分组见图4。左上角视图为分组后的渠道模型。

（2）输水建筑物。考虑到输水建筑物模型的复杂性和多样性，需要按照一定的规则对建筑物模型进行分组。为便于在Skyline中将各个分组的模型融合，分组时按照空间位置及结构进行切割，通常情况下将透明部件分为一组，非透明部件按照闸门、厂房、闸室、护坡、路面等类型拆分为合适的组，并保证每级LOD文件大小在一定范围内。建筑物模型分组见图5。较复杂的建筑物模型可能需要分几十个组。

3.2.2 三维场景搭建

将地形数据发布后载人Skyline.依次导人满足要求的渠道和建筑物模型，结合建筑物坐标及地形变化，通过地形开挖、模型比例调整、旋转、位置调整等方式，将输水渠道和建筑物的各个部分依次无缝拼接。

为了使三维场景达到更好的可视化效果，通常会加入配景数据，一般包括树木、人、房屋、车、水面、标志牌等。这类数据通常数量大、变化小、类型单一，为提高浏览及显示效率，通常以矢量数据的形式加入，随机赋予纹理贴图，减少内存占用。

完成三维场景搭建后，需要对三维场景进行优化，包括模型的组织方式、贴图大小，配景的贴图方式、大小及显示方式等。具体流程见图6。

3.2.3 三维场景网络发布

在TerraExplorer Pro中，将建设完成的三维场景保存为.fly格式，使用平台自带的发布功能，将三维场景发布为网络包，即可根据网络发布地址访问该三维场景。

4 网络三维场景应用

发布完成的三维场景效果见图7。场景中的输水渠道、各类建筑物、地形、影像及配景数据均能够实现流畅加载和高清显示，根据视野大小实现各级显示效果的无缝集成。

在此三维场景基础上，采用Javascript技术开发建设了一套南水北调中线一期工程三维可视化系统，再现了南水北调中线一期工程沿线、重点防洪工程、重点河道堤防地貌“真实场景”，实现了三维场景的交互式浏览和工程方案的可视化。结合工程专题信息，提供初步的三维GIS分析和工程运用模拟操作，实现工程相关信息的获取、传输、查询和显示，为建设管理部门提供生动、形象、直观的决策数据[5]。南水北调中线一期工程三维可视化系统界面见图8。

5 结语

（1）在对南水北调中线一期工程特点研究的基础上，对超长距离输水工程网络三维场景建设的难点及关键技术问题进行试验分析，提出了一套针对超长距离、超大范围、海量数据输水工程网络三维场景建设的流程及有效解决方案。

（2）三维场景的核心在于数据，如何快速高效地加载和显示各类数据尤为重要。由于数据量巨大，传统的C/S模式在安装部署及应用方面有一定的局限性，因此提出了解决数据加载及显示问题的理论和技术，在B/S模式下更有效地发挥三维场景的优势，利用网络资源进行各类在线分析和交互应用，提高了三维场景的价值。

（3）本文提出的三维场景建设方法，不仅可在大范围、大场景、地形复杂、建筑物数量众多的水利工程中应用，而且可以广泛应用于交通、建筑、石油、管道等行业的三维信息化建设，还可为整体规划、设计建设成果展示、工程管理、生态评价、环境影响分析和综合决策等提供信息服务和分析计算手段。

参考文献：

[1] 李学森，跨流域调水系统调度决策方式及管理模式研究[D].大连：大连理工大学，2009：1-2.

[2] 陶刚，池天河，郑桂香，基于skyline的网络三维GIS建设及应用[J].测绘科学，2011，36（6）：219-221.

[3] 郭晖，孙婧，南水北调中线干线工程建设管理的若干思考[J].人民黄河，2015，37（1）：121-125.

[4] 北京东方道迩信息技术有限责任公司.SkylineGlobe产品系列技术白皮书[R].北京：北京东方道迩信息技术有限责任公司，2009：1-3.

[5] 黄河勘测规划设计有限公司，南水北调工程建设与管理基础信息建设与应用（一期）项目应用系统详细设计报告[R].郑州：黄河勘测规划设计有限公司，2010：6.